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【旭创专家演讲实录】高速数通光模块的未来及技术演进

2021-07-08  

2021年6月23-25日,以“光连万物、 多彩未来”为主题的2021光连接大会(CFCF2021)于6月在苏州金鸡湖国际会议中心成功举办。会上,旭创科技资深产品管理总监郑德锋就高速数通光模块的未来及技术演进发表了看法,完整演讲如下:



随着数据中心交换芯片容量的快速提升与迭代,网络架构中各级之间的高速连接也需要做到匹配升级,即光模块的方案也是不断演进变化的。下面我们从需求驱动、数据通讯网络架构、数通网络的发展特点、技术趋势以及旭创数通光模块的路线图等几部分来展开话题讨论。


我们生活在一个大数据时代。互联网用户持续高速增长,一个万物互联的时代正在构建之中。更高的带宽速度、更真切的视觉体验,让数字化已经成为构建现代社会的基础力量。据贝尔实验室统计数据,从2010到2020过去10年核心网络数据流量几乎呈指数增长,到2020年达到4.3ZB。而数据中心内部东西向的数据流量比南北向核心出口流量要高很多,约5倍于南北向流量,据思科统计数据,到2020年达20.6ZB。


数据中心架构中,每个低层级的交换机都会连接到上一个更高层级的交换机,形成拓扑架构。服务器设备直接连TOR 交换机。Spine 层属网络骨干,负责把aggregation 或leaf 交换机连接起来。这种网络架构更易于网络扩展以及无阻塞配置。数据中心I/O接口带宽需求的增加同样也带动了可插拔光模块速率的演进。无论是服务器到TOR 交换机,再到上面层级的leaf 以及spine 交换机之间的光互联模块方案,几乎都是每三年向前演进一代。目前国外大型数据中心,单波光口速率已达100GbE, 电口SerDes 速率已达50GbE。再往前看,今年OFC 会议上Arista 公司的预测认为到2025年左右光口单波100GbE 的光模块发货量可能达到顶峰,而单波200GbE 的下一代光模块将从2023年起开始小批量发货。对应的电口SerDes速率,据650 Group 调研机构预测,50GbE SerDes 将于2022年达到顶峰,而100GbE SerDes 在2023年开始大规模商用;而200GbE SerDes 可能要等到2025年左右才开始小规模商用。


高速光模块的技术演进实际上取决于上下游产业链的协同发展。未来光模块的演进路线图应该是比较清晰的,即400G->800G->1.6T->3.2T。ASIC 交换容量将沿着12.8T->25.6T->51.2T->102.4T 方向扩容。由于光器件如激光器的产业成熟度好于DSP 等电芯片,当光口速率2倍于电口速率时,DSP中需要有gearbox 做一个速率转换,比如400G DR4/FR4, 但是光口与电口系列一致时,则不需要gearbox, 比如800G DR8。回头看400G光模块 约从2018年开始推出市场,下一代800G 已经开始系统测试,预估2021年底小批量。更高速的光模块1.6T 期望在2024年推出市场。


在未来数据中心中,随着技术的进步,传输每比特信息所需的能量是在逐年降低的。据分析,从2000年到2015年,基本趋势是每10年降低10倍。2015年以后下降的趋势预期会慢一点。对于400G光模块来说其能量效率约达30 pJ/bit, 800G 光模块可能到20~22pJ/bit 水平。而3.2T光模块可能达到小于10pJ/bit 水平。从节省能源的角度来讲,我们非常期望我们的光模块生态链可以支持该路线图。


数据中心光互联方案可根据其传输距离来选择两种支撑技术,一种是直接探测技术,另一种是相干探测技术。这里的相干探测凭借着高容量、高信噪比等优势在城域网内的长距离DCI互联中得到广泛应用;而直接探测的应用场景更适合相对短距离互联。据Lightcounting 市场调研数据,2020年DWDM市场销售额达10亿美金,到2025年将到25亿美金。届时DCI应用场景中相干探测的光模块比重预期由2020年的39%提升到2025年78%。另外随着光模块速率的提升,对于直接探测方案,对模块内光器件的带宽要求比较高,同时受限于系统SNR以及光纤链路色散的影响,其传输距离也将受到限制。北美系统商Arista曾有报告分析,直接探测对800G光模块来说可能还支持10km 传输,但到1.6T/3.2T时,也许只能支持2km 传输。届时更远场景的光互联,则需要使用相干探测技术。目前看50G波特率可支持400G 相干传输,而100G波特率则支持800G及以上相干传输。当然基于相干探测技术的光模块在DCI或未来数据中心内部的应用,成本和功耗也将会是大家主要考虑和优化的问题。


近些年来硅光电子技术一直是一个热门话题,关注度非常高,行业里也有一些成功的榜样公司,比如Intel、Acacia、Luxtera 等。100G PSM4/CWDM4, 200G FR4/400G DR4, 这些大规模出货的产品,目前业内都有对应的硅光方案推出。按照Lightcounting 市场预测数据,基于硅光技术的光模块比例可能从2016年的20% 提升到2026年的52%(包含以太网和WDM应用)左右,市场前景非常广阔,客户期望值也非常高。然而一个硬币总有其两面性, 硅光技术本身还不够成熟,Fab可能是制约其发展的关键因素。硅光的业务是否够大来支撑Fab 的运营,Fab 制程的控制能力,不同Fab 之间的PDK 兼容性等问题都将影响硅光业务的可持续性发展。同时硅光芯片本身设计的容差也将直接影响芯片的良品率。总之,硅光技术的生态仍然还不成熟,也许未来到混合封装时,才是硅光大显身手的最佳平台。


旭创科技一直努力致力于满足于客户需求的高端光模块开发。目前其已经形成10G/25G/40G/100G/200G/400G等系列光模块产品组合。400G系列产品目前已经大批量出货国内外市场。同时正在开发800G 数通光模块,预计在2022年可以实现批量发货。此外,可插拔1.6T 光模块也在规划中。


总而言之,未来可预期可插拔光模块的迭代速度加快,通过技术演进获得成本红利,进一步降低数通单比特能量成本。从大型数据中心的网络升级实践以及未来规划,基本上看每三年可插拔光模块向前演进一代,传输每比特信息的能量效率也大幅提升。未来可插拔光模块的演进路径,从ASIC/DSP以及主要光学器件等关键组件的上下游产业链路线图规划来看,电口100G SerDes 可支持到1.6Tbps 的光模块,电口200G SerDes 则可支持3.2Tbps 的光模块。同时为提高光纤的频谱效率,DCI 相干下沉,未来相干探测光模块的应用场景增多,市场需求增长很快。旭创希望和我们的产业界同仁一同努力,以客户需求为导向,逐步实现800G/1.6T/3.2T 数据中心内以及DCI间的光互联,最终实现共赢。



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